高层建筑结构的现状

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　　这是留学圈的第289篇文章。最近纽约的一座U型住宅方案有些火。由于纽约法规对于限高的要求，这家当地公司提出了一个将追求更“高”改为追求更“长”的方案，将大楼弯成了一把U型锁，使得建筑的长度成为了高度的两倍。这个方案一出也是刷爆了各大网站，看来美帝人民对纽约出现奇奇怪怪的建筑也是喜闻乐见。抛开方案的预算和可行性不说，今天我们来聊聊当下高层建筑的结构选型以及原理。

前言

　　人们常常会有误解，以为高层建筑的结构难度取决于它的高度，越高的结构越难建造。然而更准确的说法应该是：决定高层建筑的建造难度的不仅取决于它的高度，还有它形体的比例关系。在结构原理上，高层建筑与我们常见建筑并没有很大的差别，都要兼顾结构的基本单元，整体性以及刚度，来抵御水平荷载和竖向荷载。然而抵抗水平荷载在高层的结构系统中起到了主导的地位，远远超过了竖向上的重要性。

水平荷载随着高度和细长比的增长起着更明显的作用

　　水平向的变形和位移随着建筑的高度增长可以变得非常巨大。过量的变形会导致电梯的方向偏离并且会造成使用者的不良反应。两个导致水平向变化的主要因素是我们之前提过的风荷载和地震力，还有一个我们不曾提到但是也不容忽略的作用是温差。这里的温差包含了室内外的温差，以及受光面和背光面的温差，都会一定程度影响建筑的形变。

材料和造价

　　高层建筑建造中运用到的材料多种多样，而且很多时候都是组合使用的：结构钢，钢筋混凝土以及预应力混凝土。高层建筑中每平米的建材用料要高于普通的低层或中层建筑。抵御竖向荷载的墙和柱需要承担整个建筑的重量，而且需要抵御风荷载的材料也大量增多。可想而知，高层建筑每平米的造价相应提高。并且，由于高层中的楼板是典型的每层重复的系统，所以楼板的结构高度极大程度影响了高层建筑的设计。每层楼板节约几厘米的高度都可以积累出几米高的空间。这又会影响到电梯，墙饰以及其他辅助设施的造价。同时，楼板系统上的增加的每点重量也会同时增加建筑基础（Foundation）的大小和造价。

结构类型

　　合理的选择抵抗水平荷载的结构系统可以提高建筑的可建造性，使用性和经济性。我们可以基于抵抗水平荷载的结构位置，把高层结构分为两大种类：外部结构(Exterior Structure)和内部结构(Interior Structure)。

　　内部结构是指高层建筑主要通过建筑内部结构抵抗水平荷载力的结构，比如钢和混凝土组成的刚性框架结构，或者围绕着核心筒搭建的结构，特点是结构以一个管状方式受力。

　　01 抗弯构架:

　　可以理解为一种固定在地基上的悬臂。是上个世纪60年代的高层建筑主要做法。每层楼板承受大约相同的重力，但是越靠近地面的梁会越重，以抵抗逐渐增加的水平作用力。柱子的尺寸也会从上往下逐渐变粗，以支撑相应增加的垂直荷载。因为结构条件导致材料价格的指数激增，30层以下是这种结构可以接受的高度。而当剪力墙与这种抗弯构架结合时，两种结构的相互作用会起到事半功倍的效果，可以达到60层的高度。

　　02 核心筒：

　　核心筒是我们比较熟悉的用于竖向电梯和楼梯交通的具有抵抗横竖向荷载的重要结构单元。相对对称的核心筒与框架或者剪力墙的布局结构可以减少体量中心和结构中心的偏心。高层建筑可存在一个或多个核心筒，大的单一核心筒可以支撑悬挑结构，或与外伸支架结合，以提供无柱的空间。

　　外部结构与之相反，是指建筑通过外围护结构抵御水平荷载力。

　　03 斜撑结构：

　　斜撑结构运用竖向的桁架抵挡高层水平荷载。这些桁架运用外圈柱为弦杆，K型，V型，X型斜撑为基本网格单元，有效的减少了柱子在风荷载下的形变。柱子，梁等结构件可以简单的与外围结构的节点相连，相比抗弯构架的连接方式更为经济。这种结构使得建筑更加抗弯抗形变，以及达到更高的高度。斜撑结构大部分时候都会与其他抗水平荷载的结构系统一起出现。如果斜撑单元的尺寸增大到跨越几层高度，这个结构系统就趋近于巨型结构的作用方式。

　　04 剪力墙：

　　剪力墙一般用来提供足够的力量和刚度来抵抗水平荷载。剪力墙一般都是钢筋混凝土，较薄，并且有着很高的高宽比。剪力墙也可以看作固定在基础上的悬臂。当多个剪力墙通过柱子相连之后，他们起到的刚度要大于单独刚度的和。起作用的原因是连接柱使得相连的两堵墙以一个单元的形式受力，这种方式被我们成为联肢剪力墙。

　　05 单框筒结构：

　　这种结构运用整个建筑的外围护抵抗水平荷载。这种结构可以被看作一个固定在地面上的空心悬臂盒，外圈柱排布紧密并与边梁固定。这种所谓的单框筒结构不一定只是正方形，也可以是圆形或者其他形状的规则正多边形。由于这种结构在外围就解决了水平荷载，所以内部的剪力墙等附加结构可以省略。这种结构的立面刚度也可以通过增加斜撑来大大增加。

　　当结构在水平荷载下获得作用力时，每根柱子受的力是不均等的。折角处的柱子受力不仅要大于其他柱，而且离中心偏移的距离也是不一样的。由于应力的分布不均，形成了我们所谓的剪力滞后。应对这种剪力滞后的方式是添加水平层的一圈带状桁架。带状桁架一般设置在设备层，帮助我们平衡建筑的形变和扭曲。

　　06 筒中筒结构：

　　筒中筒结构区别于单框筒结构之处明显可见在于中心添加的结构核心筒。我们从上面已经得知外圈桶能很好的抵御形变。但是由于底层的开窗开门使得外圈桶在底层抵抗剪力的能力变差。所以内部的结构桶可以帮助底层抵抗剪力。

　　07 斜撑筒结构：

　　由于正常框架结构中边梁的灵活性是高层建筑的一个固有缺陷，所以添加在建筑外部的大型的交叉斜撑可以帮助改善这一缺点。最著名的案例就是芝加哥的John Hancock中心。这些交叉斜撑不仅能有效抵御剪力滞后，同时也可以看做是斜向的柱子来解决重力。所以外圈的柱子往往可以因此隔得很开。

　　08 成束筒结构：

　　这种结构是由多个单一的筒状结构拼合在一起成为一个单元的一种做法。每一个小筒受限于高宽比都不能达到理想的高度，拼合在一起增加了他们的刚度并且减少了形变的距离，以冲击更高的整体高度。这种造型最大的问题就是每层柱子数量的不同和减少。

　　09 空间桁架结构：

　　这种结构是斜撑筒结构的一个变异版。特点是三角形结构的叠加同时伴随着交叉斜撑连接室内外的结构。不同于斜撑筒结构的斜撑位于室外，这种桁架结构把斜撑引入室内成为空间的一个组成部分。典型的案例就是贝聿铭在香港设计的中银大厦。

　　10 巨型结构：

　　当建筑高于60层之后，巨型结构或者超级结构就应运而生。这种结构的特性就是在我们之前提到的加固结构的一种结合。四个角都有斜撑桁架进行巩固，同时每15-20层在设备层都设置带状桁架。这种加固后的外部结构使得我们可以在内部进行正常的设计。

　　11 斜肋构架结构：

　　这种水晶状的结构模式是当下比较常见的做法。与我们刚才所认识的斜撑结构不同的是，这种结构可以非常好的解决不仅水平荷载，还有垂直荷载的作用。由于力的传输方向是延轴线的方向，而非弯曲竖直向的柱子和水平向的梁，它对垂直荷载的抵抗力好用到我们可以直接去掉柱子。斜肋构架结构最常用的材料就是钢，而且因为它结构上的高效性，它的钢材消耗甚至少于其他所有类型的建筑。 它的另一点好处是它释放了标准层的设计，标准层大部分区域无柱无其他结构构件使我们可以轻松进行功能排布。

总结

　　高层建筑在选型的过程中，考虑的最首要因素就是解决水平荷载的问题。不管我们进行怎么样的立面设计，都可以用某种结构加固的方式达到一定的弥补。比如我们看到的CCTV大楼，越密集的菱形区域其实就是结构加强的区域。虽然原理如此，我们在设计的时候还是要尽量考虑形体和风之间的关系，也不要任性妄为。

最后附上之前结构小讲堂的链接：

结构小讲堂 Vol.03丨当结构邂逅设计

结构小讲堂 Vol.02丨柱网设计的是是非非

结构小讲堂 Vol.01丨一套图带你读懂结构进化史

此外我们的18-19建筑景观规划申请群现已开放

　　本文由留学圈团队编辑

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